中国科学技术大学自旋共振实验室彭新华教授、江敏教授团队在自旋量子精密测量领域取得关键性突破，将量子精密测量技术与核磁共振及最优滤波方法相结合，对多种超出标准模型的自旋相互作用进行了系统性的实验搜寻，显著提升了当前国际上相关探测的灵敏度上限，其探测极限在研究频段内相较以往提升了至少17个数量级。该项研究成果于6月2日以“limits on anomalous spin-spin interactions using noble-gas nuclear magnetic resonance”为题发表在国际权威期刊《物理评论快报》上。
量子精密测量依托量子力学原理，展现出超越经典测量方式的能力，为电磁场、时间、角速度等物理量的高精度检测提供了全新手段。近年来，基于自旋系统的极弱磁场探测技术取得了显著进展，其探测灵敏度已达到1fT（即10⁻¹⁵T）级别，标志着极弱磁场测量进入量子时代。在此项研究中，科研人员采用惰性气体核自旋体系作为量子磁场探测器，成功实现了超高灵敏度的极弱磁场检测［图1(a)］，这主要得益于两项核心技术的突破。一是利用惰性气体核自旋共振增强待测磁场信号，当交流磁场频率与核自旋拉莫尔进动频率一致时，可激发核自旋的整体相干响应，实验中实现最高达145倍的磁场信号放大；二是引入针对极弱磁信号的最优滤波技术，通过构建与磁场信号波形匹配的线性滤波器，使信噪比提升至理论极限水平，从而有效抑制环境噪声干扰。
此外，研究人员还将上述自旋量子测量方法应用于探索超越标准模型的自旋相互作用。这种异常的自旋相互作用表现为两个129Xe自旋系综之间的长程耦合——其中一个作为自旋传感器，另一个则作为可控自旋源，中间由可能存在的新玻色子作为媒介粒子进行传递。通过精确控制129Xe自旋源的极化状态，实现了对奇异自旋耦合强度的动态调节。结合129Xe核磁共振高精度测量技术，研究人员将该种相互作用的强度限制在低于10⁻⁸Hz水平，对应能量分辨率达到10⁻³³eV。这项成果在6.0–157.4μeV质量范围内，对潜在的新玻色子给出了目前最为严格的实验约束，较此前同类实验结果的探测灵敏度提升了17个数量级。该研究所发展的自旋量子精密测量技术为未来探索各种超出标准模型的自旋耦合机制开辟了新路径，在基础物理探索和精密测量科学中具有重要意义。
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图1：(a) 自旋量子测量传感器与自旋源示意图；(b) 新玻色子的质量-耦合强度实验排除界限。
中国科大自旋共振实验室博士后苏昊文与硕士研究生胡世举为论文共同第一作者，江敏教授与彭新华教授为通讯作者。本研究受国家自然科学基金委、科技部、中国科学院以及中国博士后科学基金会等多方资助。
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